CN1483806A - 一种植物细胞大规模培养生物反应装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物领域，具体说是一种植物细胞大规模培养生物反应装置。解决植物细胞大规模细胞培养要求具有适应细胞培养的生物反应装置。现有的细胞培养的装置沿用了微生物和动物细胞反应器的概念，对植物细胞存在有基本缺陷。本发明在形式上和结构上针对植物细胞特点设计的，本发明包括罐体，循环泵组，光生物反应器和一些管道；使其构成一个可以循环的装置。植物细胞液在循环的过程中，使植物细胞有氧气、营养物和光合作用的光照。本发明能耗低，适合植物细胞生长。

Description

一种植物细胞大规模培养生物反应装置

一、技术领域：

本发明涉及生物领域，具体说是一种植物细胞大规模培养生物反应装置。

二、技术背景：

植物细胞大规模培养技术是指利用生物工程技术生产天然植物中所存在的对人类有用的物质。这项技术首先通过对植物细胞的筛选培育出具有能够产业化快速生长、继代稳定、有效物质含量高等特点的植物工程细胞，然后，把植物细胞的生长从天然或人工栽培的环境中改造成在大型生物反应装置中的快速生长，从而达到生产有用物质的目的。

解决植物细胞大规模细胞培养不仅仅要培育出适应细胞大规模培养的工程细胞，同时也要求具有适应细胞培养的生物反应装置。产业化的生物反应装置在微生物和动物细胞培养中日前已经有了比较成熟的应用。但由于植物细胞与微生物或动物细胞相比具有较大的差异，所以在微生物或动物细胞培养的反应装置不能直接用于植物细胞。现有的细胞培养的反应装置有两种基本形式。一种是搅拌式，就是利用其置于细胞液中的桨叶不断搅拌使细胞在整个罐体中运动从而实现在细胞与营养物或气体的交换。另一种是气升式，他是利用气体从罐体的底部向上吹出时带动细胞运动时实现细胞物质的代谢与交换的。但由于其固有的缺陷，在植物细胞大规模培养放大时都存在着一些缺点。第一：因为植物细胞和微生物不同，植物细胞对剪切比较敏感，当机械搅拌时，桨叶的机械剪切力使细胞破碎。对气升式反应器而言，由于在细胞高密度情况下黏度很大，在气升式反应器中需要保持气体一定的压力，有可能造成气泡破碎时爆破细胞的问题，所以，无论是搅拌式还是气升式都有可能会打破或爆破造成细胞死亡。另外，研究表明，细胞在搅拌时会破坏有些酶的活性，造成细胞代谢减慢。第二：现有的生物反应器在小规模培养时(实验室规模)能够得到结果，但产业化放大非常困难。这是因为植物细胞在低密度条件下和大规模高密度条件下具有较大的条件差异，比如植物细胞是需要进行光合作用的。在大容积的生物反应器中由于植物细胞的密度增加而造成植物光合作用减弱。延缓了植物细胞发育和生长。另外，大容积的罐体中细胞液的罐压对细胞的影响等等，所以现有的生物反应装置是不能从根本上改变这种差异。第三：大规模细胞培养的环境下，附属的供气、光照以及其他设备处于日夜不停的运转之中，而植物细胞生长周期较微生物或动物细胞要长，所以造成能耗大，成本高。

三、发明内容：

本发明的目的在于提供能耗低，能适合植物细胞生长环境的一种植物细胞大规模培养生物反应器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特殊在于：上述装置包括罐体1，循环泵组2，光生物反应器3和一些管道；设置在罐体的底部细胞液循环入口5与光生物反应器3的细胞液循环出口7以管道相通；设置在罐体中部的细胞液循环出口6与光生物反应器3的细胞液循环入口8以管道相通；循环泵组2设置在连通管道上。

上述的设置在连通管道上的循环泵组2包括由循环泵9和循环泵10，循环泵9设置在罐体的进液管道，循环泵10设置在罐体的出液管道上。

上述的光生物反应器3是一表面为密封玻璃的密封箱体11，其箱体内设置盘绕的透明管道12，其与罐体的细胞液循环入口5和细胞液循环出口6相连通。

上述的罐体1的外罐壁上设置恒温水浴夹层8。

上述的循环泵组2上设置辅助液体、气体混合装置13。

上述的罐体1内设置有检测探头，在大生产中，探头可以加装在光生物反应器中的管道里。

上述的光生物反应器3内设置的透明管道12的盘绕形式为S型、横向S型、螺旋型和双S型，。

上述的光生物反应器3的采光外表面设置百叶窗14，结合光照计量进行光照控制。

上述的罐体上设置恒温水浴夹层8与光生物反应器的密封箱体11的水出入口相连。

上述的光生物反应器3采用多个以串联或级联方式连接，进行连续培养，并可直接利用太阳能进行光照。

本发明相对与现有技术相比，本发明主要是针对植物细胞培养条件的改善和节能技术的应用。其从形式上和内部构造上作了根本上的改进，因而具有以下几个优点：

第一，利用细胞液在罐体和生物反应器之中的循环产生的湍流来均质细胞液，不再使用机械搅拌，从根本上解决了细胞受到外界机械剪切力破碎的问题。

第二，由于本发明不需要对细胞培养液提供额外的气体供应。减小了系统对气体压力的要求，气体不会在大的压力差下爆破，也就不会造成大量细胞的破碎，这也减少了维持气体压力的附属设备，降低了生产成本。

第三，本发明采用光生物反应器，使细胞一直保持在良好和可受控的光照条件下，使植物细胞培养在低密度和高密度条件下都能进行很好的光合作用，同时，该结构还改善了在大容积情况下细胞可能受到的罐压和其他由于罐体的增大所带来的其他影响，缩小了细胞在低密度和高密度培养条件下的差异，使产业化放大生产比较容易。

四、附图说明：

图1为本发明的整体装置的示意图；

图2为现有技术的搅拌式的细胞培养的反应装置的结构示意图；

图3为现有技术的气升式的细胞培养的反应装置的结构示意图；

图4为本发明的罐体的结构示意图；

图5为本发明的循环泵组的结构示意图；

图6为本发明图5循环泵组的结构示意图；

图7为本发明的光生物反应器的结构示意图；

图8为本发明图7的A-A面剖视图；

图9是光生物反应器的外部基本结构。

五、具体实施方式：

参见图1，图1为本发明——一种植物细胞大规模培养生物反应装置的整体装置的示意图。本发明由罐体1、循环泵组2和光生物反应器3构成，罐体1和光生物反应器3之间通过一些管道相连，通过在管道上设置的循环泵组2，使罐体1和光生物反应器3内的植物细胞液进行循环，在循环过程中，给植物细胞不断的提供氧气、营养物以及提供植物细胞进行光合作用的基本光照，使其能很好的进行光合作用。

参见图2，为现有技术的搅拌式细胞培养的反应装置的结构示意图；搅拌式细胞培养的反应装置，就是利用其置于细胞液中的桨叶不断搅拌使细胞在整个罐体中运动从而实现在细胞与营养物或气体的交换。但因为植物细胞和微生物不同，植物细胞对剪切比较敏感，当机械搅拌时，桨叶的机械剪切力使细胞破碎。而且，细胞在搅拌时会破坏有些酶的活性，造成细胞代谢减慢。

参见图3，为现有技术的气升式细胞培养的反应装置的结构示意图；细胞培养的反应装置是利用气体从罐体的底部向上吹出时带动细胞运动时实现细胞物质的代谢与交换的。对气升式反应器而言，由于在细胞高密度情况下黏度很大，在气升式反应器中需要保持气体一定的压力，有可能造成气泡破碎时爆破细胞的问题。

参见图4，为本发明罐体的结构示意图；其是一个具有一定容积罐体1，罐体1上设置细胞液循环出入口5，6和若干个标准探头孔。设置在罐体的底部细胞液循环入口5与光生物反应器3的细胞液循环出口7以管道相通；设置在罐体中部的细胞液循环出口6与光生物反应器3的细胞液循环入口8以管道相通；罐体1是由不锈钢材料焊接成，其上部是一个法兰盘结构的上盖，盖的中间有密封槽可以保持罐体良好的密封性，罐体的内加工要求达到GMP标准。在罐体上盖设置若干个标准探头孔，以便安装检测探头。按照标准检测，一般的设有溶氧、PH值、二氧化碳等传感探头。同时上盖上应有气体入口、气体出口、取样口、加料口等气体和细胞液、营养液供应管口。

为了保持细胞的恒温培养，采用水浴保温的方式进行加热和恒温。在罐体外部设置恒温水浴夹层8，其出入口与光生物反应器3的水的出入口相连接，可以利用太阳热能对水浴夹层的水加热。

在本发明中，由于不再需要传统反应器中的搅拌或气泡产生装置，所以对罐体的几何形状无特殊要求，为了减少罐体内细胞液深度给细胞带来的影响，在空间条件许可的条件下，尽可能的采用大直径底部圆弧状罐体即可。按照一般规律，工作容积可保持在罐体的2/3左右。故细胞循环出口6开在罐体的1/2处，细胞循环出口5开在罐体的底部。所有出口和管口均要求有符合GMP标准的光滑度和圆角。细胞循环出口根据安装场地的实际情况可以采用固定密封或软管密封安装。

参见图5，图6，其为循环泵组的结构示意图；是一个以蠕动泵为原理来带动细胞液在光生物反应器中循环运动的装置；其主要作用是输运细胞液在整个反应器中循环运动。上述的循环泵组由两个循环泵9、循环泵10构成，循环泵9设置在罐体的进液管道，循环泵10设置在罐体的出液管道上。使其输运细胞液的方向保持一致，输运细胞液的流量或速率可以通过同步驱动或离合装置实现一致或不同，并保持同步调节。同时，系统可以通过定时变换整体输运方向来增加湍流效果。在循环泵9、循环泵10的控制的管道上可以配套使用的气体混合装置13，气体混合装置13的管道的开口设置在循环泵9、循环泵10的控制的管道上，并在管道上各配有一个微调阀和微调泵。气体加入量的大小可以通过微调循环泵的循环速率调节。本发明的这个微调泵组不仅可以增加气体的供应，也可用于一些细胞培养中在不同培养阶段的生长营养物质或诱导物质的加入。

由于使用了循环器件，所以细胞液的运动速率可以受到精确控制。并且利用泵之间的输送速度差异达到在光生物反应器中保持一定的细胞液，以增加总的系统工作容积。在这部分中为了达到细胞在光生物反应器中具有最佳的生长状态，本发明的辅助液体、气体混合装置13，可以在光生物反应器中按照植物自然生长规律，添加一定的辅助气体或混合气体，如CO₂等，使其更好的生长。

参见图7，图8，其为光生物反应器的结构示意图，光生物反应器3是一表面为密封玻璃的密封箱体11，其箱体内设置盘绕的透明管道12，其与罐体的细胞液循环入口5和细胞液循环出口6相连通，透明管道12的材料既可以由各种透明玻璃也可以由PC或其他有机透光物质加工而成。透光管道的盘绕形式可以采用为S型、横向S型、螺旋型和双S型等，其功能是通过细胞在光生物反应器3的循环运动中，达到细胞接受光照进行光合作用并在其中完成细胞生长的气体交换和代谢，同时该部分还具有能够增加整体工作容积和使细胞在高密度条件下保持最佳的生长状态的重要作用。本发明由于采用了模块化结构，使得光生物反应器3可以与罐体1之间具有一定独立的布局和安装自由度，在保证整体灭菌的要求前提下，该光生物反应器3可以结合一定的罐体布局采用串联、级联等方式来放大生产。本发明的光生物反应器3为板状结构以便利用日光作为光源以便植物细胞进行光合作用，大大减少了对电光源的能耗。本发明采用光照计量作为一个参量控制百叶窗，达到对光照强度的量化控制。

参见图9是光生物反应器的外部基本结构。本发明的光生物反应器3为利用太阳能创造了条件。这就大大节约了细胞培养中的光照能耗。同时，本发明中在各个部分中所涉及的水浴保温装置也可利用光生物反应器的集热装置进行水的加热，光生物反应器具有测试光照强度的光探头。可以给控制系统控制百叶窗的开启和关闭提供信，达到控制光照的目的。

在使用时，在完成了在线消毒灭菌后，添加细胞培养液和细胞种液到罐体内，打开控制和测试系统对整个培养进行初始化准备和测试。按照预先设计的工艺条件。调节必要的温度、溶氧、PH值等理化参数，在罐体内对细胞进行一段时间的静置培养(适应性培养)后，打开循环泵组2的泵9将罐体的细胞液开始进行培养。此时，按照工艺条件。调节好溶氧和其他气体参数并调节好细胞液流速。待细胞液到达泵10时及时开动泵10。完成整个系统运转设定。系统开始进入细胞培养过程。培养中，根据工艺要求和条件。可以控制光板进行光照控制，也可根据工艺要求，进行补料和分段培养。也可利用泵9和泵10的输送量差异保持在光生物反应器中适量的细胞液。出于本系统可以进行在线测试和在线监测。所以，可以根据细胞的生长不同阶段进行参数调节。

当然，本发明不仅用在植物细胞的培养中，还可用在海洋生物的培养中，如对海草的培养。

Claims (10)

1、一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：上述装置包括罐体(1)，循环泵组(2)，光生物反应器(3)和一些管道；设置在罐体的底部细胞液循环入口(5)与光生物反应器(3)的细胞液循环出口(7)以管道相通；设置在罐体中部的细胞液循环出口(6)与光生物反应器(3)的细胞液循环入口(8)以管道相通；循环泵组(2)设置在连通管道(4)上。

2、根据权利要求1所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的设置在连通管道上的循环泵组(2)包括由循环泵(9)和循环泵(10)，循环泵(9)设置在罐体的进液管道，循环泵(10)设置在罐体的出液管道上。

3、根据权利要求1或2所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的光生物反应器(3)是一表面为密封玻璃的密封箱体(11)，其箱体内设置盘绕的透明管道(12)，其与罐体的细胞液循环入口(5)和细胞液循环出口(6)相连通。

4、根据权利要求3所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的罐体(1)的外罐壁上设置恒温水浴夹层(8)。

5、根据权利要求4所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的循环泵组(2)上设置辅助液体、气体混合装置(13)。

6、根据权利要求5所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的罐体(1)、光生物反应器(3)内设置有检测探头。

7、根据权利要求6所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的光生物反应器(3)内设置的透明管道(12)的盘绕形式为S型、横向S型、螺旋型和双S型。

8、根据权利要求7所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的光生物反应器(3)的采光外表面设置百叶窗(14)。

9、根据权利要求8所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的罐体上设置恒温水浴夹层(8)与光生物反应器的密封箱体(11)的水出入口相连。

10、根据权利要求9所述的一种植物细胞大规模培养生物反应装置，其特征在于：所述的光生物反应器(3)采用多个以串联或级联方式连接。

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